熱鉚球頭失效分析研究

朱 浩 葉青亮 朱玲斌

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201804)

0 引言

汽車尾門或后備箱開啟時，尾門氣彈簧支座需要承受縱向力和側(cè)向力的沖擊，這就要求氣彈簧支座具有較高的強(qiáng)度的同時也要有很好的韌性[1-2]。尾門氣彈簧支座由球頭和安裝支座通過熱鉚接連接，對可靠性要求極高，目前此類零件失效的案例較為少見[3]。尾門氣彈簧安裝支座采用比較常見的汽車結(jié)構(gòu)鋼QStE420TM沖壓而成，球頭采用45號鋼，整個零件的生產(chǎn)工藝流程為安裝支座與球頭通過熱鉚接固定在一起，隨后零件酸洗、鍍鋅，最后電泳。本次失效主要是尾門氣彈簧支座在裝車過程中，熱鉚接球頭在受到側(cè)向力沖擊時，在球頭根部發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響了裝車的進(jìn)度。因此，找到球頭失效的原因，防止此類事件再次發(fā)生，保證裝車進(jìn)度及車輛和人員的安全，具有極其重要的意義[4-6]。

本文針對失效球頭的外觀及斷口進(jìn)行宏微觀觀察，并對材料的金相組織，硬度、化學(xué)成分及熱鉚區(qū)的金相組織、硬度進(jìn)行檢查和分析，確定球頭開裂的失效性質(zhì)[7]，對其失效原因進(jìn)行分析，還原整個失效過程，并提出建議，為避免此類失效的再次發(fā)生提供借鑒作用。

1 零件檢測與分析

1.1 宏觀觀察

圖1為尾門氣彈簧支座斷裂失效零件的外觀形貌，熱鉚接球頭在球頭根部發(fā)生了完全斷裂，斷口無明顯的塑性變形，斷口較粗糙，斷口邊緣區(qū)域已產(chǎn)生明顯的銹跡，可初步判定整個斷口出現(xiàn)了二次開裂，首先開裂區(qū)域?yàn)榧t色虛線部位，且保留了一段時間，所以出現(xiàn)明顯銹跡，隨后發(fā)生二次開裂，為白色明亮區(qū)域，宏觀形貌類似脆性斷裂，形成具有金屬光澤的小刻面，如圖2所示。

圖1 尾門氣彈簧支座失效件外觀形貌

圖2 斷口整體形貌

1.2 斷口觀察

用酒精超聲波仔細(xì)清洗斷口后，在掃描電鏡下仔細(xì)觀察斷口的微觀形貌，觀察結(jié)果如圖3a所示，斷口源區(qū)形貌特征為沿晶+穿晶(圖3b和圖3c)，白色明亮區(qū)域形貌特征為沿晶(圖3d)，且在斷裂面上未發(fā)現(xiàn)明顯的雜質(zhì)。正常批產(chǎn)件在鉚接區(qū)域的過載斷口形貌特征主要為：準(zhǔn)解理(圖3e)。

1.3 金相組織及硬度檢測

對失效件球頭和正常件球頭橫截面進(jìn)行金相組織檢查和硬度檢查。宏觀形貌及檢查位置見圖4，菱形黑色標(biāo)記點(diǎn)(A、B)為金相檢查位置，圓形黑色標(biāo)記點(diǎn)(1～5)為硬度測試位置。

圖3 斷口及正常件微觀形貌特征

圖4 失效件和正常件橫截面金相試樣

圖5為失效件和正常件橫截面金相組織形貌。失效件A區(qū)為板條狀馬氏體組織(圖5a)，B區(qū)為鐵素體+片層狀珠光體(圖5b)；正常件A區(qū)為回火索氏體(圖5c)，B區(qū)為鐵素體+片層狀珠光體(圖5d)。可見失效位置由于熱處理工藝異常，組織發(fā)生了明顯的變化，疑似失效件整體水淬所造成的。

對失效件和正常件進(jìn)行顯微維氏硬度對比分析，結(jié)果見表1，可見失效件斷裂區(qū)域的硬度值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常件，而兩者基體區(qū)域的硬度值較為相近。

表1 硬度測試結(jié)果(HV1)

1.4 化學(xué)成分分析

對失效的球頭取樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，檢測結(jié)果見表2，各元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 699-2015對45號鋼的要求。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2 分析與討論

2.1 鉚接工藝的影響

在球頭熱鉚接過程中鉚接溫度的控制及熱鉚后的冷卻方式是非常重要的，可以認(rèn)為是一種鍛造的熱加工。熱鉚接過程中可分成三個重要階段：球頭加熱階段、保溫階段、冷卻階段。鉚接溫度及冷卻速率直接影響到鉚接后球頭鉚接區(qū)域的抗側(cè)向力，提高加熱溫度，降低冷卻速率相對提高抗側(cè)向力的能力。由于球頭材料的限制，加熱后球頭的組織性能會發(fā)生較大的變化，加熱溫度不能過高，否則金屬組織會產(chǎn)生粗大晶粒，甚至發(fā)生過熱、過燒現(xiàn)象，空冷后出現(xiàn)粗大的魏氏體組織。溫度也不能過低，否則會產(chǎn)生大量殘余應(yīng)力，破壞鋼的機(jī)械性能，最終在球頭熱鉚擠壓過程中發(fā)生破裂。冷卻速率不宜過快，否則會出現(xiàn)大量的馬氏體組織，導(dǎo)致熱鉚后球頭無法承受較大的側(cè)向力。

圖5 失效件和正常件橫截面金相組織

2.2 失效模擬分析

球頭熱鉚接工藝涉及很多工藝特點(diǎn)，氣彈簧球座裝車斷裂失效需要通過理論分析和試驗(yàn)來驗(yàn)證球頭鉚接部位是否合格。在鉚接溫度和保溫時間不變的情況下，控制冷卻速率來驗(yàn)證是否會由于異常原因快冷而導(dǎo)致熱鉚區(qū)出現(xiàn)硬脆相，從而降低抗側(cè)向力的能力。將剛熱鉚后的球頭快速置入水中，再對水淬后的球頭側(cè)向敲擊，球頭在熱鉚區(qū)發(fā)生斷裂，用掃描電鏡觀察斷口邊緣的形貌特征，發(fā)現(xiàn)與失效件比較接近，斷裂形貌為沿晶+穿晶(圖6a)，熱鉚區(qū)的橫截面金相組織為板條狀馬氏體(圖6b)，硬度值(HV1)為711。

圖6 水淬件的斷口形貌及熱鉚區(qū)金相組織

2.3 斷裂原因分析

失效件的熱鉚球頭斷裂模式為脆性斷裂,造成脆性斷裂的原因可從材質(zhì)與受力兩方面相結(jié)合分析[8-9]。檢測結(jié)果表明,球頭材料化學(xué)成分合格。球頭熱鉚后空冷，熱鉚區(qū)組織為回火索氏體，但失效件熱鉚區(qū)金相組織為板條狀馬氏體,馬氏體組織具有高強(qiáng)度和高硬度的特點(diǎn)，但同時缺乏韌性。當(dāng)零件受到較大的側(cè)向力沖擊載荷時，硬脆相馬氏體成為應(yīng)力集中點(diǎn)，在變形過程中馬氏體發(fā)生破碎，所以斷口形貌呈現(xiàn)脆性解理特征，而導(dǎo)致出現(xiàn)馬氏體的原因主要是由于熱鉚后異常的快速冷卻。建議對球頭熱鉚接工藝過程進(jìn)行加強(qiáng)管理，確保嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，特別是熱鉚后零件需妥善放置，避免接觸可引起零件快速冷卻的介質(zhì)，例如水或油等。

3 總結(jié)

1) 失效球頭熱鉚接后，異常原因快冷淬火導(dǎo)致熱鉚區(qū)硬度過高而發(fā)生脆性斷裂；

2) 失效件熱鉚球頭斷貌特征為沿晶+穿晶，熱鉚區(qū)組織為板條狀馬氏體，硬度值最高為718；

3) 建議對球頭熱鉚接工藝過程進(jìn)行檢查，確保嚴(yán)格按照工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，避免出現(xiàn)熱鉚后零件快速冷卻的現(xiàn)象發(fā)生。